探索中微子的奥秘：日本为此在地下1000多米处，存储5万吨超纯水

前言

地球上有七成都是海洋，可以说，地球实际上也是个“水球”，但地球上的水掺杂着细菌、病毒、微生物、矿物质等等各种各样的杂质。但是你相信这世界上有100%纯度的水存在吗？答案是有，而且不仅有，量还很大。

Tips:天然水中含有的杂质，按颗粒从大到小分类为悬浮物质、胶体物质、溶解物质(离子和分子) 。

这样的情景发生在日本的岐阜县的一座废弃依旧的矿山里，在离地面1000多米的地底下，赫然矗立着一个高达41米，直径约为39米的圆柱形不锈钢容器，在这个约15层楼高的容器内部的墙壁上还密密麻麻地分布着大量金色圆球，容器内盛放的是达5万吨的超纯水。

这个神秘建筑的官方名称为“超级神冈探测器”，数十年来，日本已经在这个建筑内存放了5万吨超纯水，预计未来这个数字会达到26万吨。那究竟什么是超纯水，日本存放如此多的水在这里的目的是什么呢？

超纯水顾名思义就是超级纯度的水，这种水的构成除了水分子外几乎没有什么杂质，。这种纯度的水在自然界中不存在，只能由人工进行制作并储备。

起初，超纯水是为了研制一些精度很高的超纯材料（半导体原件材料、纳米精细陶瓷材料等）而生产出来的水。

超纯水的电阻率往往大于18MΩ*cm，因此可以将超纯水近似的看做是一种半绝缘体。正是由于它的不导电性，超纯水现在往往被运用在电子电力、半导体芯片、高压变电器的清洗的工艺中。

Tips:自来水电阻率是：300-700us/cm ；超纯水的电阻率可以从18兆降到1兆，或者更低。电阻率与导体的长度、横截面积等因素无关，是导体材料本身的电学性质，由导体的材料决定，且与温度、压力、磁场等外界因素有关。

由此看来，超纯水其实与我们的生活也可以算得上是息息相关，那日本为什么要花费大量的人力、物力和财力将5万吨的超纯水制作并存储在地下1000米的庞大建筑中呢？

超级神冈探测器

这是因为这个巨大的圆柱建筑，其实并不仅仅是一个简单的盛放超纯水的容器，日本建造这样的建筑其实是为了利用超纯水来捕获宇宙中游荡的中微子的活动。进而揭露物质的起源甚至于宇宙起源的谜题。

1982年，日本科学界第一次进行了科学大发现活动，名为“神冈核子衰变实验”。第一代的探测器仅仅只能容下3000吨的超纯水，探测的能力远远不够。于是，神冈探测器在1985年进行扩建。

功夫不负有心人，经过扩建的神冈探测器终于在1987年与美国一起发现了大麦哲伦云中1987A超新星在爆发时释放出的中微子信号。

Tips:1987A超新星在1987年2月23日，被一位加拿大天文学家在大麦哲伦星云中发现，立即在世界各国的天文学界引起了轰动。这是自 1604年以来第一颗用肉眼就能看到的超新星，是20世纪最大的天体物理事件之一。

20年前的日本政府进而又投入了1个亿美元的资金对神冈探测器进行扩建，这也就成了我们今天看到的“超级神冈探测器”。

宇宙“隐身人”——中微子

我们人类所处的自然界中存在着各种各样的物质，而这些物质又是由各种基本粒子构成。（基本粒子是科学界已知的最小粒子，是构成物质世界的基本单位。）中微子就是基本粒子的一种，是整个宇宙中数量最多的粒子。

据悉，每一秒就有将近10万亿个来自太阳的中微子从我们人体中穿过，但是我们人体几乎感受不到它的存在。这是因为中微子是一种中性粒子，它基本不与其他的物质起反应。

Tips:地球上的一切事物对于中微子来说都是可以随意穿过的广袤空间。人类想要探测到中微子的存在十分困难，所以中微子又被称为宇宙“隐身人”。

在太阳的核心区域中，每一次氢核聚变的发生除了会产生伽马光子之外，也会产生巨量的中微子。这些中微子从太阳向四周发散，只有约十分之一的中微子在穿过地球的时候被地球留下来，剩余的部分全都飞向了宇宙深处。

前面提到了中微子是中性粒子，很难产生反应。那为什么从太阳发散的中微子在经过地球时会被留下来呢？这是因为中微子在超纯水中有极低的概率与水中的氢原子或氧原子发生反应。

由于光在水中的传播速度仅仅只有真空中传播速度的75%，因此接近光速传播的中微子在穿过这些超纯水时的速度，超过了光的速度。这样一来，超纯水中的中微子会因为“超光速”从而发出一种波长较短的电磁辐射，被称为切伦科夫辐射。

Tips:契伦科夫辐射是介质中运动的物体速度超过光在该介质中速度时发出的一种以短波长为主的电磁辐射，其特征是蓝色辉光。这种辐射是1934年由前苏联物理学家帕维尔·阿列克谢耶维奇·契伦科夫发现的，因此以他的名字命名。

日本之所以要在地下1000多米的地方建造这样一个建筑，实际上是为了更好地观察切伦科夫辐射这一现象，并探索中微子的奥秘。因为在地下1000多米制作并储备超纯水，才可以隔绝地面上的一切高能原子的干扰。

那为什么一定要超纯水呢？在我们的日常认知中，水中包含着各种各样的杂质，其中不乏可以自由移动的电离子，这也就是为什么水可以导电。而超纯水与我们平时接触的水不同，超纯水中只有水分子，电阻率大于18MΩ*cm，几乎可以认为是半绝缘体。

而前面提到的金色圆球其实是光电倍增管，通过它们可以将光信号放大1亿倍，这才使得切伦科夫辐射能够被我们人类用肉眼所捕捉到。

中微子振荡猜想的证实

从太阳氢核聚变中伴随伽马光子一起产生的还有巨量的中微子，但这些中微子仅仅有十分之一最终被地球所吸收，而这十分之一中能被地球探测到的更是少之又少。

恒星物理学家计算研究表明：太阳每产生出三个光子，就会随之而产生两个中微子。但事实上，很长的一段时间内，地球上真正探测到的中微子的数量远不及理论中的那么多。

通过实际数据与理论计算对比，科学家们发现地球上探测到的中微子数量仅仅只有理论计算得出数量的三分之一。那剩下的理应出现的三分之二去哪儿了？

1987年2月23日，在距离地球16万光年之外的大麦哲伦星云发生了超新星爆发事件，科学家们惊奇的发现这次爆发所产生中微子并没有像太阳氢核聚变所产生的的中微子一样莫名消失三分之二。

Tips:超新星爆发是某些恒星在演化接近末期时经历的一种剧烈爆炸。这种爆炸都极其明亮，过程中所突发的电磁辐射经常能够照亮其所在的整个星系，并可持续几周至几个月才会逐渐衰减变为不可见。

于是学术界开始流行一种猜想，即中微子会不会有三种且三者可以互相转化而不是以往认知中的单一种类，这种猜想被称作中微子振荡猜想。

这一猜想在1998年被日本科学家梶田隆章利用升级之后的第二代神冈探测器证实。

他在实验中发现，之所以超纯水中微子的数量比我们计算预期中的数量要少这么多，是因为这些中微子在漫长的飞行过程中自发转变了形态，成为了其他种类的中微子。

就好比一群马在奔跑的过程中突然变成了羊，又变成了一群狮子。而这种转变形态的现象就是中微子振荡，梶田隆章也凭借这一发现被授予了2015年诺贝尔物理学奖。

Tips:中微子振荡理论的证实意味着中微子具有非零的静质量，对理论物理和实验物理都非常重要。

根据已知的物理规律，在宇宙早期形成过程中，正反物质应当结对产生且数量一致。但如今的宇宙中，并没有发现大量反物质存在的迹象，那为什么宇宙仅仅只有正物质？没有反物质呢？

这是回答宇宙起源的关键所在，中微子振荡的发现带来了一个肯定的结论即：正反粒子的行为未必是一致的，在不一样的行为过程中极有可能造成了反物质的缺失。因此，对于中微子振荡现象的研究是破解宇宙起源的重要一环。

尽管我们人类现代文明对于中微子已经颇有成果，但是中微子难以探测的属性并没有改变，我们仍需要更精密更优秀的仪器进行探测。

中微子的研究对我们的生活有什么影响呢？

实际上，除去上文中提到的宇宙起源等高大上的问题，中微子研究的研究成果也是时刻渗透在我们的生活之中。

1.中微子通信技术

上文中我们提到，中微子是中性粒子，几乎不与任何事物产生反应。因此，它在穿越地球的时候损耗极小。科学家们发现如果用高能加速器产生10亿电子伏特的中微子穿过地球时，这个损耗仅仅只为千分之一。

因此，业界将中微子束进行改造，将其携带我们所要传达的信息在地球上进行通讯联系，这样操作的成本比起传统的通讯方式极低。

2.中微子地球扫描技术

如果使用高能加速器释放的能量为10000亿电子伏特以上的中微子束进行定向照射地层，中微子束与地层物质作用可以造成一个局部的小型“地震”。

这种方法与地震勘探法类似，可以对地球的深层地层进行逐一扫描与勘探。这样的勘探就好比给地球进行CT照射，对石油等地下资源的开采有着极为重要的意义。

毫无疑问，中微子已经成为了地质学与天文学等等学科广泛运用的工具，无论是宇宙中超新星的爆发，还是地球内部的核衰变都会产生巨量的中微子，而人类对于这些中微子的勘测，也能帮助我们不断的认识世界，认识自己。

我国中微子研究现状

我们国家对于中微子的研究虽然起步较晚，不如日本、美国等国家，但是不能否认的是，我国目前在中微子研究这一领域取得的成果，举世瞩目。

2007年，大亚湾反应堆中微子实验项目开始建设，并于2011年底投入运行。这个实验项目整合了全球6个国家和地区的40多家相关科研的单位，是中美在基础研究领域规模最大的项目之一。

2012年3月，中国大亚湾中微子实验室检测到一种全新的中微子振荡并准确测量到它的振荡概率。这个发现一经报道就震惊了国际粒子物理界，被美国Science杂质评选为2012年十大科学突破，这一发现也奠定了中国在中微子研究领域的国际地位。

但大亚湾仍然只是一个短期项目，中国的中微子研究不能在大亚湾之后就止步不前。因此，江门中微子实验站出现在大家的视野中。从大亚湾到江门，中国对于中微子研究领域的尝试与突破从未停过。

江门中微子实验测量的是微子中的质量顺序，同时它也可以精确测量中微子的振荡参数，且已经达到国际最好的水平。

Tips:江门中微子实验项目的700米地下超纯水实验水池已经施工完毕，预计2023年投入使用。

结语

人类对于中微子的研究自上世纪以来从未停下脚步，这项研究不仅仅是为了填补粒子物理的空白，更是为了帮助我们找到更多问题的答案。

目前对于中微子的研究都是基础科学的研究，但是今天我们研究的科学说不定在明天就会转变为技术为我们所用。

这是一代代科学家的不懈努力，我们才有了如今的好生活。而随着中微子研究的不断深入，或许在未来的某一天，我们真的可以用科学去解释宇宙起源的问题。